设计了一种零磁通型霍尔电流传感器，可大范围的应用于交流变频驱动、焊接电源、开关电源、不间断电源等设计了一种零磁通型霍尔电流传感器，可大范围的应用于交流变频驱动、焊接电源、开关电源、不间断电源等设计了一种零磁通型霍尔电流传感器，可大范围的应用于交流变频驱动、焊接电源、开关电源、不间断电源等

  领域。该零磁通型霍尔电流传感器通过砷化镓霍尔元件检测由通电电流产生的磁场，继而有效地检测被测领域。该零磁通型霍尔电流传感器通过砷化镓霍尔元件检测由通电电流产生的磁场，继而有效地检测被测领域。该零磁通型霍尔电流传感器通过砷化镓霍尔元件检测由通电电流产生的磁场，继而有效地检测被测

  由于霍尔元件产生的霍尔电势很微弱，由于霍尔元件产生的霍尔电势很微弱，由于霍尔元件产生的霍尔电势很微弱，而且还存在比较大的失调电压，而且还存在比较大的失调电压，而且还存在比较大的失调电压，因此对霍尔电压的放大和对不因此对霍尔电压的放大和对不因此对霍尔电压的放大和对不

  等位电势的补偿是该设计的两个主要要解决的问题，而且霍尔元件中载流子浓度等随气温变化而变化，等位电势的补偿是该设计的两个主要要解决的问题，而且霍尔元件中载流子浓度等随气温变化而变化，等位电势的补偿是该设计的两个主要要解决的问题，而且霍尔元件中载流子浓度等随气温变化而变化，

  因此还需用温度补偿电路对其温度补偿。因此还需用温度补偿电路对其温度补偿。因此还需用温度补偿电路对其温度补偿。

  系统分为系统分为系统分为444个部分：个部分：个部分：1)1)1)霍尔元件的供电电路，由电压基准霍尔元件的供电电路，由电压基准霍尔元件的供电电路，由电压基准(((电流基准电流基准电流基准)))芯片为霍尔片提供工作电流；芯片为霍尔片提供工作电流；芯片为霍尔片提供工作电流；

  2)2)2)霍尔元件及磁芯，将感应片感应的磁场霍尔元件及磁芯，将感应片感应的磁场霍尔元件及磁芯，将感应片感应的磁场(((该磁场由通电电流产生该磁场由通电电流产生该磁场由通电电流产生)))转化为霍尔电压；转化为霍尔电压；转化为霍尔电压；3)3)3)放大电路，将微弱放大电路，将微弱放大电路，将微弱

  的霍尔电压进行放大；的霍尔电压进行放大；的霍尔电压进行放大；4)4)4)反馈部分，利用了磁平衡原理：一次侧电流所产生的磁场，通过二次线圈电流进反馈部分，利用了磁平衡原理：一次侧电流所产生的磁场，通过二次线圈电流进反馈部分，利用了磁平衡原理：一次侧电流所产生的磁场，通过二次线圈电流进

  行补偿，使磁芯始终处于零磁通工作状态。其系统总流程图如图行补偿，使磁芯始终处于零磁通工作状态。其系统总流程图如图行补偿，使磁芯始终处于零磁通工作状态。其系统总流程图如图111所示。所示。所示。

  系统由±系统由±系统由±5 V5 V5 V的稳压源供电。用一片电压基准芯片的稳压源供电。用一片电压基准芯片的稳压源供电。用一片电压基准芯片REF3012REF3012REF3012为砷化镓系列的霍尔元件为砷化镓系列的霍尔元件为砷化镓系列的霍尔元件HW300BHW300BHW300B提供提供提供

  基准电压。基准电压。基准电压。HW300BHW300BHW300B是一款可采用电压模式供电和电流模式供电的霍尔元件，是一款可采用电压模式供电和电流模式供电的霍尔元件，是一款可采用电压模式供电和电流模式供电的霍尔元件，HW300BHW300BHW300B放在开有气隙的集磁环放在开有气隙的集磁环放在开有气隙的集磁环

  的气隙里，的气隙里，的气隙里，并用胶水加以固定并用胶水加以固定并用胶水加以固定(((霍尔元件和集磁环相对位置如果发生明显的变化，霍尔元件和集磁环相对位置如果发生明显的变化，霍尔元件和集磁环相对位置如果发生明显的变化，会影响产生的霍尔电势的大小会影响产生的霍尔电势的大小会影响产生的霍尔电势的大小)))。。。

  霍尔元件的输出接至仪器放大器霍尔元件的输出接至仪器放大器霍尔元件的输出接至仪器放大器AD620AD620AD620，作为放大器的差模出入端和共模输入端。放大器的增益可通过调，作为放大器的差模出入端和共模输入端。放大器的增益可通过调，作为放大器的差模出入端和共模输入端。放大器的增益可通过调

  节节节111、、、888引脚之间的引脚之间的引脚之间的10 k10 k10 kΩΩΩ的电位器改变。放大器的输出接反馈线圈，该反馈线圈绕在集磁环上，其绕线的电位器改变。放大器的输出接反馈线圈，该反馈线圈绕在集磁环上，其绕线的电位器改变。放大器的输出接反馈线圈，该反馈线圈绕在集磁环上，其绕线

  方向能使通过它的电流产生的磁场与集磁环收集到的磁场方向相反。反馈线圈末端放方向能使通过它的电流产生的磁场与集磁环收集到的磁场方向相反。反馈线圈末端放方向能使通过它的电流产生的磁场与集磁环收集到的磁场方向相反。反馈线 kΩΩΩ的精阻接的精阻接的精阻接

  地，地，地，能够最终靠测量精阻两端的电压，可以经过测量精阻两端的电压，能够最终靠测量精阻两端的电压，计算反馈线圈中的电流，计算反馈线圈中的电流，计算反馈线圈中的电流，进而推算穿过集磁环中心的被测电流的大小。进而推算穿过集磁环中心的被测电流的大小。进而推算穿过集磁环中心的被测电流的大小。

  其具体电路图如图其具体电路图如图其具体电路图如图222所示。所示。所示。

  以以以SOT23-3SOT23-3SOT23-3封装的封装的封装的REF3012REF3012REF3012是一个高精度、低功耗、低电压差电压参考系列芯片。是一个高精度、低功耗、低电压差电压参考系列芯片。是一个高精度、低功耗、低电压差电压参考系列芯片。REF3012REF3012REF3012小尺寸小尺寸小尺寸

  和低功耗和低功耗和低功耗(((最大最大最大505050μμμA)A)A)非常适用于便携式和电池供电。它不需要负载电容，但对任何容性负载很稳定。因非常适用于便携式和电池供电。它不需要负载电容，但对任何容性负载很稳定。因非常适用于便携式和电池供电。它不需要负载电容，但对任何容性负载很稳定。因

  磁敏型霍尔元件很容易受温度的影响，磁敏型霍尔元件很容易受温度的影响，磁敏型霍尔元件很容易受温度的影响，能够使用恒流源供电以减小其温度系数。能够使用恒流源供电以减小其温度系数。能够使用恒流源供电以减小其温度系数。在该系统模块设计中，在该系统模块设计中，在该系统模块设计中，REF3012REF3012REF3012

  的输入引脚的输入引脚的输入引脚111接接接+5 V+5 V+5 V电源，并接电源，并接电源，并接101010μμμFFF的旁路电容至地，该旁路电容对电源进行滤波，提高电源稳定性。 的旁路电容至地，该旁路电容对电源进行滤波，提高电源稳定性。 的旁路电容至地，该旁路电容对电源进行滤波，提高电源稳定性。

  而其输出引脚 而其输出引脚 而其输出引脚22 2 接到 接到 接到HW300B HW300B HW300B 的引脚 的引脚 的引脚11 1，并且也接 ，并且也接 ，并且也接1O  1O  1O μμ μ FF F 的旁路电容至地， 的旁路电容至地， 的旁路电容至地，GND( GND( GND(地地 地)) )引脚 引脚 引脚33 3 接地。由于系统 接地。由于系统 接地。由于系统

  本设计采用砷化镓系列的 本设计采用砷化镓系列的 本设计采用砷化镓系列的 HW300B HW300B HW300B 型霍尔元件，输出霍尔电压范围 型霍尔元件，输出霍尔电压范围 型霍尔元件，输出霍尔电压范围 122 122 122～～ ～204mV 204mV 204mV，输入、输出阻抗为 ，输入、输出阻抗为 ，输入、输出阻抗为

  240 240 240～～ ～550  550  550 ΩΩ Ω ，补偿电压为 ，补偿电压为 ，补偿电压为-7 -7 -7～～ ～7 mV 7 mV 7 mV，温度系数为 ，温度系数为 ，温度系数为-1 -1 -1．． ．88 8％／℃。其输入可采用电压模式供电，也可采用电 ％／℃。其输入可采用电压模式供电，也可采用电 ％／℃。其输入可采用电压模式供电，也可采用电

  流模式供电。这里采用电压模式供电，即就是 流模式供电。这里采用电压模式供电，即就是 流模式供电。这里采用电压模式供电，即就是 HW300B HW300B HW300B 的引脚 的引脚 的引脚11 1、、 、33 3 为控制输入端，而引脚 为控制输入端，而引脚 为控制输入端，而引脚 22 2、、 、44 4 为霍尔电压 为霍尔电压 为霍尔电压

  霍尔元件是将磁场转换为电信号的线性磁敏元件，霍尔输出电压 霍尔元件是将磁场转换为电信号的线性磁敏元件，霍尔输出电压 霍尔元件是将磁场转换为电信号的线性磁敏元件，霍尔输出电压

  式中， 式中， 式中，SS S 为乘积灵敏度， 为乘积灵敏度， 为乘积灵敏度，mV mV mV／／ ／(mT (mT (mT·· ·mA) mA) mA)；； ；Ic Ic Ic 为工作电流， 为工作电流， 为工作电流，mA mA mA；； ；BB B 为磁感应强度， 为磁感应强度， 为磁感应强度，mT mT mT。。 。

  本设计中， 本设计中， 本设计中，将霍尔元件放进开有气隙的集磁环的气隙里， 将霍尔元件放进开有气隙的集磁环的气隙里， 将霍尔元件放进开有气隙的集磁环的气隙里，并将霍尔元件和集磁环固定， 并将霍尔元件和集磁环固定， 并将霍尔元件和集磁环固定，这样做才能够感 这样做才能够感 这样可以感

  应出更大、更稳定的霍尔电势。式 应出更大、更稳定的霍尔电势。式 应出更大、更稳定的霍尔电势。式(1) (1) (1)中，当 中，当 中，当SS S 与与 与Ic Ic Ic 一定，则 一定，则 一定，则Vh Vh Vh 与与 与BB B 有直接线性关系。通电导体周围必然 有直接线性关系。通电导体周围必然 有直接线性关系。通电导体周围必然

  产生磁场，根据安培定律，电流与磁场的关系式∮ 产生磁场，根据安培定律，电流与磁场的关系式∮ 产生磁场，根据安培定律，电流与磁场的关系式∮BdI= BdI= BdI=μμ μ 0I0 0I0 0I0 得： 得： 得：

  式中， 式中， 式中，μμ μ 00 0 为真空磁导率， 为真空磁导率， 为真空磁导率， 。。 。

  根据安培回路定律，可得到这种磁路形式的电流与磁场的关系 根据安培回路定律，可得到这种磁路形式的电流与磁场的关系 根据安培回路定律，可得到这种磁路形式的电流与磁场的关系

  由式 由式 由式(6) (6) (6)可知，根据霍尔元件的乘积灵敏度 可知，根据霍尔元件的乘积灵敏度 可知，根据霍尔元件的乘积灵敏度 SS S，工作电流 ，工作电流 ，工作电流 Ic Ic Ic，真空磁导率 ，真空磁导率 ，线，被测电流 ，被测电流 ，被测电流 I0 I0 I0，缠绕 ，缠绕 ，缠绕

  匝数 匝数 匝数 N1 N1 N1，气隙长度 ，气隙长度 ，气隙长度 l2 l2 l2，便可计算出霍尔电压 ，便可计算出霍尔电压 ，便可计算出霍尔电压 Vh Vh Vh。而且可知，气隙长度 。而且可知，气隙长度 。而且可知，气隙长度 l2 l2 l2 越小，霍尔电压 越小，霍尔电压 越小，霍尔电压 Vh Vh Vh 越大，所以 越大，所以 越大，所以

  气隙应以刚好卡住霍尔元件为宜。 气隙应以刚好卡住霍尔元件为宜。 气隙应以刚好卡住霍尔元件为宜。

  由磁敏霍尔元件将集磁环收集到的磁场转换为弱电信号， 由磁敏霍尔元件将集磁环收集到的磁场转换为弱电信号， 由磁敏霍尔元件将集磁环收集到的磁场转换为弱电信号，输出一般为几毫伏的电压， 输出一般为几毫伏的电压， 输出一般为几毫伏的电压，需对其进行放 需对其进行放 需对其进行放

  大。这里采用 大。这里采用 大。这里采用 AD620 AD620 AD620 型仪器放大器，它通过改变电阻而改变放大倍数 型仪器放大器，它通过改变电阻而改变放大倍数 型仪器放大器，它通过改变电阻而改变放大倍数(1 (1 (1～～ ～1000) 1000) 1000)。。 。AD620 AD620 AD620 的的 的 11 1、、 、88 8 引脚之间 引脚之间 引脚之间

  通过跨接 通过跨接 通过跨接11 1 只只 只10  10  10 kk kΩΩ Ω 的电位器和 的电位器和 的电位器和11 1 只只 只75  75  75 ΩΩ Ω 的电阻来调整放大倍数。 的电阻来调整放大倍数。 的电阻来调整放大倍数。若要改变放大倍数， 若要改变放大倍数， 若要改变放大倍数，可调节电位器 可调节电位器 可调节电位器AD620 AD620 AD620

  的引脚 的引脚 的引脚77 7、、 、44 4 分别接 分别接 分别接+5 V +5 V +5 V、、 、-5 V -5 V -5 V的工作电压，并且分别接 的工作电压，并且分别接 的工作电压，并且分别接 00 0．． ．01  01  01 μμ μ FF F 的旁路电容至地，用来滤除交流成分， 的旁路电容至地，用来滤除交流成分， 的旁路电容至地，用来滤除交流成分，

  使输出的直流更平滑；而其引脚 使输出的直流更平滑；而其引脚 使输出的直流更平滑；而其引脚 33 3、、 、22 2 分别接霍尔元件的引脚 分别接霍尔元件的引脚 分别接霍尔元件的引脚 22 2、、 、44 4，其引脚 ，其引脚 ，其引脚 66 6 输出放大后的电压值，接反 输出放大后的电压值，接反 输出放大后的电压值，接反

  馈线圈；引脚 馈线圈；引脚 馈线 是参考基准，接 是参考基准，接 是参考基准，接 REF3012 REF3012 REF3012 的引脚 的引脚 的引脚33 3，作为总系统的地接。 ，作为总系统的地接。 ，作为总系统的地接。

  仪器放大器电路由 仪器放大器电路由 仪器放大器电路由 33 3 个放大器共同组成， 个放大器共同组成， 个放大器共同组成，其中电阻 其中电阻 其中电阻RR R 和和 和RG RG RG 需要在放大器的电阻应用限制范围内 需要在放大器的电阻应用限制范围内 需要在放大器的电阻应用限制范围内(1 (1 (1～～ ～10k 10k 10k

  ΩΩ Ω )) )，根据固定的电阻 ，根据固定的电阻 ，根据固定的电阻 RR R 调整其放大倍数，关系式如下： 调整其放大倍数，关系式如下： 调整其放大倍数，关系式如下：(( (必须要格外注意每个放大器的饱和现象，放大器的最大 必须要格外注意每个放大器的饱和现象，放大器的最大 必须要格外注意每个放大器的饱和现象，放大器的最大

  输出电压为其工作电压± 输出电压为其工作电压± 输出电压为其工作电压±Vc) Vc) Vc)。。 。AD620 AD620 AD620 的输出电压 的输出电压 的输出电压Vo Vo Vo 与输入电压 与输入电压 与输入电压V1 V1 V1、、 、V2 V2 V2 关系式如式 关系式如式 关系式如式(7) (7) (7)所示： 所示： 所示：

  零磁通霍尔传感器利用磁平衡原理： 零磁通霍尔传感器利用磁平衡原理： 零磁通霍尔传感器利用磁平衡原理：一次侧电流 一次侧电流 一次侧电流(( (被测电流 被测电流 被测电流)) )所产生的磁场， 所产生的磁场， 所产生的磁场，通过二次线圈电流进行 通过二次线圈电流进行 通过二次线圈电流进行

  补偿，使磁芯始终处于零磁通工作状态。当 补偿，使磁芯始终处于零磁通工作状态。当 补偿，使磁芯始终处于零磁通工作状态。当 Io Io Io 刚通过磁环， 刚通过磁环， 刚通过磁环，Is Is Is 尚未形成时，霍尔元件检测出 尚未形成时，霍尔元件检测出 尚未形成时，霍尔元件检测出 N1I0 N1I0 N1I0 所产生 所产生 所产生

  的磁场信号，经放大级放大，推动驱动级。由于 的磁场信号，经放大级放大，推动驱动级。由于 的磁场信号，经放大级放大，推动驱动级。由于 N2 N2 N2 为补偿线圈，通过线圈电流不会突变，因此， 为补偿线圈，通过线圈电流不会突变，因此， 为补偿线圈，通过线圈电流不会突变，因此，Is Is Is 逐渐 逐渐 逐渐

  上升， 上升， 上升，N2Is N2Is N2Is 所产生的磁场补偿了 所产生的磁场补偿了 所产生的磁场补偿了 N1I0 N1I0 N1I0 所产生的磁场。 所产生的磁场。 所产生的磁场。因此， 因此， 因此，霍尔元件输出降低， 霍尔元件输出降低， 霍尔元件输出降低，Is Is Is 上升减慢。 上升减慢。 上升减慢。当当 当N2Is=N1I0 N2Is=N1I0 N2Is=N1I0

  时，磁场为零，霍尔元件输出为零。但由于线圈的缘故， 时，磁场为零，霍尔元件输出为零。但由于线圈的缘故， 时，磁场为零，霍尔元件输出为零。但由于线圈的缘故，Is Is Is 还会上升，这样， 还会上升，这样， 还会上升，这样，N2Is>

  N1I0 N2Is>

  N1I0 N2Is>

  N1I0，补偿过冲，霍 ，补偿过冲，霍 ，补偿过冲，霍

  尔元件输出变号，输出驱动级使 尔元件输出变号，输出驱动级使 尔元件输出变号，输出驱动级使 Is Is Is 减小。如此反复在平衡点附近振荡。可以在反馈线圈上接一个精阻，通 减小。如此反复在平衡点附近振荡。可以在反馈线圈上接一个精阻，通 减小。如此反复在平衡点附近振荡。可以在反馈线圈上接一个精阻，通

  过测量电阻端的电压，计算 过测量电阻端的电压，计算 过测量电阻端的电压，计算 Is Is Is 的大小，通过 的大小，通过 的大小，通过N2Is=N1I0 N2Is=N1I0 N2Is=N1I0 计算通电电流 计算通电电流 计算通电电流I0 I0 I0 的大小，正常的情况下 的大小，正常的情况下 的大小，正常的情况下 N1=1 N1=1 N1=1。。 。

  不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时出现的霍尔电势， 不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时出现的霍尔电势， 不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时出现的霍尔电势，称其为零位误差。 称其为零位误差。 称其为零位误差。在分析不 在分析不 在分析不

  等位电势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，控制电极 等位电势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，控制电极 等位电势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，控制电极 11 1、、 、33 3 和霍尔电极 和霍尔电极 和霍尔电极 22 2、、 、44 4 可看作电桥的电阻连接点。 可看作电桥的电阻连接点。 可看作电桥的电阻连接点。

  它们之间分布电阻 它们之间分布电阻 它们之间分布电阻 R1 R1 R1、、 、R2 R2 R2、、 、R3 R3 R3、、 、R4 R4 R4 构成 构成 构成44 4 个桥臂，控制电压可视为电桥的工作电压。 个桥臂，控制电压可视为电桥的工作电压。 个桥臂，控制电压可视为电桥的工作电压。

  理想情况下，不等位电势 理想情况下，不等位电势 理想情况下，不等位电势 UM=O UM=O UM=O，对应于电桥的平衡状态，此时 ，对应于电桥的平衡状态，此时 ，对应于电桥的平衡状态，此时 R1=R2=R3=R4 R1=R2=R3=R4 R1=R2=R3=R4。如果霍尔元件的 。如果霍尔元件的 。如果霍尔元件的 UM UM UM

  ≠≠ ≠OO O，则电桥就处于不平衡状态，此时 ，则电桥就处于不平衡状态，此时 ，则电桥就处于不平衡状态，此时 R1 R1 R1、、 、R2 R2 R2、、 、R3 R3 R3、、 、R4 R4 R4 的阻值有差异， 的阻值有差异， 的阻值有差异，UM UM UM 就是电桥的不平衡输出电压。只 就是电桥的不平衡输出电压。只 就是电桥的不平衡输出电压。只

  要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势的补偿方法。 要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势的补偿方法。 要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势的补偿方法。

  本系统中不等位电势补偿方法为：在 本系统中不等位电势补偿方法为：在 本系统中不等位电势补偿方法为：在 I0=0 I0=0 I0=0 的情况下，系统上电，用万用表测试传感器的输出引脚 的情况下，系统上电，用万用表测试传感器的输出引脚 的情况下，系统上电，用万用表测试传感器的输出引脚

  电压值是否为零；为零则表示不等位电势 电压值是否为零；为零则表示不等位电势 电压值是否为零；为零则表示不等位电势 UM=0 UM=0 UM=0。如果不等于零，用螺丝刀调节电位器 。如果不等于零，用螺丝刀调节电位器 。如果不等于零，用螺丝刀调节电位器 W104390E W104390E W104390E 使使 使UM=0 UM=0 UM=0。。 。

  由于载流子浓度等随气温变化而变化，会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随气温变化而变化。 由于载流子浓度等随气温变化而变化，会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随气温变化而变化。 由于载流子浓度等随气温变化而变化，会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随气温变化而变化。

  这种变化程度随不同半导体材料不一样，而且温度高到某些特定的程度，产生的变化相当大。温度误差是霍尔 这种变化程度随不同半导体材料不一样，而且温度高到某些特定的程度，产生的变化相当大。温度误差是霍尔 这种变化程度随不同半导体材料不一样，而且温度高到某些特定的程度，产生的变化相当大。温度误差是霍尔

  元件测量中不可忽视的误差。 元件测量中不可忽视的误差。 元件测量中不可忽视的误差。

  针对气温变化导致内阻 针对气温变化导致内阻 针对气温变化导致内阻(( (输入、 输入、 输入、输出电阻 输出电阻 输出电阻)) )的变化，能够使用对输入或输出电路的电阻进行补偿。 的变化，能够使用对输入或输出电路的电阻进行补偿。 的变化，能够使用对输入或输出电路的电阻进行补偿。对对 对

  霍尔元件进行温度补偿的方法有很多种：采用恒流源提供控制电流、合理选择负载电阻、采用热敏电阻， 霍尔元件进行温度补偿的方法有很多种：采用恒流源提供控制电流、合理选择负载电阻、采用热敏电阻， 霍尔元件进行温度补偿的方法有很多种：采用恒流源提供控制电流、合理选择负载电阻、采用热敏电阻，

  也可以将整个霍尔电流传感器进行监测补偿。其中最简单实用的方法就是用热敏电阻对霍尔元件进行温度 也可以将整个霍尔电流传感器进行监测补偿。其中最简单实用的方法就是用热敏电阻对霍尔元件进行温度 也可以将整个霍尔电流传感器进行监测补偿。其中最简单实用的方法就是用热敏电阻对霍尔元件进行温度